전기공학개론: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결
Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬
Req = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

마디 해석

키르히호프 전류 법칙
ΣIin = ΣIout
가지 전류
I = (Va − Vb)/R
기준 마디
Vground = 0

방법

  1. 기준 마디(접지)를 정하고 나머지 마디 전압에 이름을 붙이세요.
  2. 미지의 마디마다 키르히호프 전류 법칙을 쓰세요. 각 가지로 나가는 전류의 합은 들어오는 전류의 합과 같습니다.
  3. 모든 가지 전류를 (Va − Vb)/R로 나타내세요.
  4. 연립방정식을 푼 다음 필요한 전류를 구하세요.

테브난·노턴

테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

RC·RL 과도 현상

시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ

방법

  1. 스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
  2. 스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
  3. 커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.

교류 임피던스와 페이저

임피던스
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
각주파수
ω = 2πf
크기와 위상각
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
페이저 옴의 법칙
V = I·Z

방법

  1. 주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
  2. 각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
  3. 임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
  4. 크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.

교류 전력과 역률

유효 전력
P = V·I·cos φ
무효 전력
Q = V·I·sin φ
피상 전력
S = V·I = √(P² + Q²)
역률
pf = cos φ = P/S
역률 보상 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

3상 전력

Y 결선
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 결선
VL = Vph, IL = √3·Iph
전체 유효 전력
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
피상 전력과 무효 전력
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압
Δ: VL Y: VL/√3
전동기 입력
Pin = Pout/η

변압기

권수비
a = N1/N2 = V1/V2
전류비
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
정격 전류
I = S/V
환산 임피던스
Z1′ = a²·ZL
부분 부하에서의 동손
Pcu = x²·Pcu,fl
효율
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
최대 효율
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2연습 문제

1.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​5 ΩB

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAR4​25 ΩBR6​10 Ω

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 ΩR5 = 30 ΩR6 = 10 Ω
IR1 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​4 A

마디 해석법을 이용해 마디 전압 VB (접지 기준)을(를) 구하시오.

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 ΩIR4​+−V1​36 VR3​4 ΩAR5​12 ΩBIs​0.5 A+−V2​15 V

마디 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R4에 흐르는 전류 IR4을(를) 구하시오.

V1 = 36 VIs = 0.5 AV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 Ω
IR4 = A
5.테브난·노턴보통
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩAIs​0.5 ABab

노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.

V1 = 5 VIs = 0.5 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​6 Vt = 0R = 47 ΩL33 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.

Vs = 6 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​15 Vt = 0에 열림R1​ = 2.2 kΩR2​ = 10 kΩC68 µF+−vC​

스위치가 오랫동안 닫혀 있었으므로 회로는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 열린다. t = 250 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.

Vs = 15 VR1 = 2.2 kΩR2 = 10 kΩC = 68 µFt = 250 ms
vC = V
9.교류 임피던스와 페이저보통
120 V200 HzR = 60 ΩL = 150 mHI

저항과 인덕터가 120 V(실효값), 200 Hz 전원에 병렬로 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mH
φ = °
10.교류 임피던스와 페이저어려움
1 Vf0​R = 20 ΩL = 5 mHC = 0.47 µF

직렬 RLC 회로를 1 V(실효값) 전원으로 구동하며, 전원 주파수는 회로의 공진 주파수로 맞추어져 있다. 인덕터 양단의 실효 전압 VL을(를) 구하시오.

V = 1 V (rms)R = 20 ΩL = 5 mHC = 0.47 µF
VL = V
11.교류 전력과 역률보통
400 V126 kW, 0.624 kW, 0.95I

두 부하가 400 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.6의 26 kW 부하와 진상 역률 0.95의 4 kW 부하. 전원에서 본 전체 역률 cos φ을(를) 구하시오.

V = 400 VP1 = 26 kW, pf1 = 0.6 지상P2 = 4 kW, pf2 = 0.95 진상
cos φ =
12.교류 전력과 역률어려움
12 V50 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

12 V(실효값), 50 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 50 + j6 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.

Vs = 12 V (rms)f = 50 HzZs = 50 + j6 Ω
Pmax = W
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 400 VNZ = 4 + j3 Ω상당

상당 임피던스가 4 + j3 Ω인 평형 Y 결선 부하가 선간 전압 400 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 400 VZ = 4 + j3 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 480 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.7(지상)로 120 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 120 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
5 ΩN1​N2​80 Ω

출력 저항이 80 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 5 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 80 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.

Rs = 80 ΩRL = 5 Ω
a =
16.변압기어려움
pf 0.850 kVA, 25% 부하

단상 50 kVA 변압기의 철손은 150 W이고 정격 부하에서의 동손은 375 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 25%를 역률 0.8(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 50 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 375 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: Req = 4.818 Ω

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​5 ΩB

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R3 + R4 = 15 + 5 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 2·20/(2+20) = 1.818 Ω
Req = R1 + 1.818 = 3 + 1.818 = 4.818 Ω

답

Req = 4.818 Ω
2.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 2.536 A

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 6 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAR4​25 ΩBR6​10 Ω

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R5 + R6 = 30 + 10 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 15.38 Ω
R3 + 15.38 = 45.38 Ω
R2 ∥ 45.38 = 8.194 Ω
Req = R1 + 8.194 = 6 + 8.194 = 14.19 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 36/14.19 = 2.536 A

답

IR1 = 2.536 A
3.마디 해석

답: VB = 15.73 V

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​4 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 10 V). 미지수: VA, VB.

마디 A에서 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/3 = 0
0.9167·VA − 0.3333·VB = 2.5

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/3 = 4
−0.3333·VA + 0.4333·VB = 4

풀기

Δ = (0.9167)(0.4333) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.2861
VA = Δ1/Δ = 2.417/0.2861 = 8.447 V
VB = Δ2/Δ = 4.5/0.2861 = 15.73 V

답

VB = 15.73 V
4.마디 해석

답: IR4 = −0.08108 A

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​4 ΩAR5​12 ΩBIs​0.5 A+−V2​15 V

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 36 V, V2 = 15 V). 미지수: VA, VB.

마디 A에서 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/4 + (VA − 36)/4 + (VA − VB)/3 = 0
0.8333·VA − 0.3333·VB = 9

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/12 + (VB − VA)/3 + (VB − 15)/3 = 0.5
−0.3333·VA + 0.75·VB = 5.5

풀기

Δ = (0.8333)(0.75) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.5139
VA = Δ1/Δ = 8.583/0.5139 = 16.7 V
VB = Δ2/Δ = 7.583/0.5139 = 14.76 V

답

IR4 = (VB − V2)/R4 = (14.76 − 15)/3 = −0.08108 A
5.테브난·노턴

답: Vth = 5.143 V

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω단락R2​6 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 8·6/(8+6) = 3.429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.429 + 5 = 8.429 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·6/(8+6) = 5.143 V
6.테브난·노턴

답: IN = −0.4091 A

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω단락R2​15 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 15·15/(15+15) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 20 = 27.5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩAIs​0.5 ABab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 2.5 + (−0.5)·7.5 = −1.25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1.25 + (−0.5)·20 = −11.25 V
IN​0.4091 ARth​27.5 Ωab

노턴 등가 회로

노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.

IN = Vth/Rth = −11.25/27.5 = −0.4091 A
7.RC·RL 과도 현상

답: i = 0.09693 A

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 33 mH / 47 Ω = 0.7021 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0.1277 A

주어진 시각의 전류

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.1277·(1 − e−1/0.7021) = 0.09693 A

답

i = 0.09693 A
8.RC·RL 과도 현상

답: vC = 8.513 V

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

초기 커패시터 전압

정상 상태에서 커패시터는 개방 회로이므로 R₁과 R₂가 전압 분배기를 이룹니다. 스위치가 열릴 때 커패시터 전압은 급변할 수 없습니다.

vC(0) = 15·10/(2.2 + 10) = 12.3 V

스위치가 열린 뒤의 시정수

τ = R2·C = 10·68 = 680 ms

방전

vC(t) = 12.3·e−250/680 = 8.513 V

답

vC = 8.513 V
9.교류 임피던스와 페이저

답: φ = 17.66 °

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

리액턴스

XL = ωL = 2π·200·0.15 = 188.5 Ω

가지 전류

두 가지 모두 전원에 바로 연결되어 있으므로 각각 전체 전압 V를 받습니다.

IR = V/R = 120/60 = 2 A
IX = V/XL = 120/188.5 = 0.6366 A

전체 전류

저항 전류는 V와 동상이고 리액턴스 전류는 90° 위상차가 있으므로 직각삼각형의 변처럼 더해집니다.

I = √(IR² + IX²) = √(2² + 0.6366²) = 2.099 A

위상각

인덕터 전류는 V보다 뒤지므로 전체 전류도 뒤지고 각은 양수입니다.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0.6366/2) = 17.66°

답

φ = 17.66°
10.교류 임피던스와 페이저

답: VL = 5.157 V

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

공진

공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·0.47·10⁻⁶) = 20628 rad/s
I = V/R = 1/20 = 0.05 A

인덕터 양단의 전압

XL = ω₀L = 20628·0.005 = 103.1 Ω
VL = I·XL = 0.05·103.1 = 5.157 V

답

VL = 5.157 V

이는 전원 전압의 Q = 5.157배입니다.

11.교류 전력과 역률

답: cos φ = 0.6688

교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.

각 부하의 무효 전력

지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).

Q1 = 26·tan(arccos 0.6) = 34.67 kvar
Q2 = −4·tan(arccos 0.95) = −1.315 kvar

합계

P = 26 + 4 = 30 kW
Q = 34.67 + (−1.315) = 33.35 kvar
S = √(30² + 33.35²) = 44.86 kVA

전체 역률

cos φ = P/S = 30/44.86 = 0.6688 지상

답

cos φ = 0.6688
12.교류 전력과 역률

답: Pmax = 0.72 W

교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.

켤레 정합

부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.

ZL = Zs* = 50 − j6 Ω

최대 전력

I = Vs/(2Rs) = 12/100 = 0.12 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·50) = 0.72 W

답

Pmax = 0.72 W
13.3상 전력

답: P = 25.6 kW

평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

상전압

Vph = 400/√3 = 230.9 V

상전류

|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 230.9/5 = 46.19 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·Iph²·R = 3·46.19²·4 = 25.6 kW

답

P = 25.6 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

14.3상 전력

답: Cph = 985.1 µF

평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). 세 커패시터는 각각 QC/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 VL, Y 뱅크에서는 VL/√3입니다.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.

Q1 = 120·tan(acos 0.7) = 120·1.02 = 122.4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 71.3 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23768/(314.2·277.1²) = 985.1 µF

답

Cph = 985.1 µF
15.변압기

답: a = 4

이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.

환산 부하 정합

a²·5 = 80
a = √(80/5) = √16 = 4

답

a = 4
16.변압기

답: Ploss = 173.4 W

변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.

이 부하에서의 동손

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.0625·375 = 23.44 W

전체 손실

철손은 어떤 부하에서도 같습니다.

Ploss = 150 + 23.44 = 173.4 W

답

Ploss = 173.4 W

이 부하에서의 효율은 η = 98.3%입니다.

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